某河床式水电站溢流坝裂缝分析处理

卓 胜

（赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州，341000）

1 工程概况

某河床式水电站坝址控制流域面积7 339km2，水库总库容7 360万m3，正常蓄水位122.0m（黄海高程，下同），电站装机2（台）×3万kW。水电站工程等别为Ⅲ等，大坝、厂房等主要建筑物为3级建筑物。

水电站枢纽建筑物由混凝土溢流坝、混凝土非溢流重力坝、河床式电站厂房等组成。枢纽建筑物沿坝轴线呈“一”字型布置，坝顶长258.20m，坝顶高程124.30m，从左至右依次为：左岸非溢流混凝土重力坝段（长40m）、混凝土溢流坝段（长108m），厂房坝段（长66.72m）、右岸非溢流混凝土重力坝段（长43.48m）。

2 溢流坝结构设计情况

溢流坝段溢流坝布置于河床中部至河床左侧，由8孔表孔溢流堰组成，单孔净宽10m，溢流坝全长108m。堰顶高程108.00m，闸室顺水流方向长度为26.28m。表孔溢流堰采用WES曲线型实用堰，基本断面最大堰高7.0m（河床深槽处最大堰高20.85m）。溢流堰面混凝土强度等级为C25，堰体为C15，混凝土强度等级分区线在横剖面上呈台阶形，堰顶处C25混凝土厚2.0m，斜坡面处C25混凝土最小厚度为1.6m，反弧末端及平段处C25混凝土最小厚度1.2m。溢流坝中墩厚3.0m，边墩厚3.5m，在0+003.4m桩号处设有检修闸门槽，门槽深0.7m，宽1.4m。闸墩最大高度22.1m。闸墩混凝土强度等级为C25（底部混凝土分区线同堰体）。

溢流坝段基础岩性为弱风化中部花岗岩，节理裂隙较发育，倾角一般较陡，基岩较坚硬、承载力满足要求。溢流坝全坝基经固结灌浆处理，灌浆孔按孔、排距4.0m梅花型布置，固结灌浆孔深入基岩6.0m。溢流坝基础经处理后，坝基不存在不均匀沉陷问题。

电站溢流坝分两期施工，本文分析处理的溢流坝裂缝位于工程一期的4孔溢流坝段（坝0+092.50～坝0+148.00），4孔溢流坝平面布置图见图1，溢流坝基本断面见图2。

图1 4孔溢流坝平面布置图

图2 溢流坝基本断面图

3 裂缝情况

一期4孔溢流坝段施工过程中发现的裂缝共14条，其中1#闸墩右侧面2条，左侧面1条，2#闸墩左、右侧面各2条，3#闸墩左、右侧面各2条，4#闸孔溢流堰面2条，3#闸墩顶部1条，闸墩裂缝分布情况见表1。

表1 裂缝分布情况表 m

表中闸墩裂缝宽度0.1～0.2mm，4#溢流孔堰面裂缝宽度0.2～0.5mm。2#闸墩门槽处所在裂缝呈弯曲不连续状，其余裂缝基本顺直、连续。

4 裂缝成因分析

通过对闸墩裂缝外观、1#～4#闸墩混凝土浇筑情况（分层厚度、停歇时间和浇筑温度等）的分析，混凝土裂缝主要由表面干缩裂缝和温度变形裂缝组成。其中2#闸墩裂缝为不连续裂缝，属混凝土表面干缩裂缝；1#～3#闸墩中部的裂缝属在基础约束条件下的温度变形裂缝。1#～4#闸墩分层浇筑厚度、停歇时间和浇筑温度等情况详见表2。

表2 闸墩浇筑情况及裂缝情况统计表

闸墩裂缝成因分析如下：

（1）2#闸墩门槽裂缝为表面缝，呈弯曲不连续状，走向没有规律，裂缝宽度较细，属混凝土表面干缩裂缝。成因主要是高标号混凝土水泥用量较大，闸墩门槽壁厚相对较小，收缩变形较大，收缩、降温与约束共同作用引起混凝土裂缝。

（2）1～3#闸墩裂缝连续顺直，裂缝走向基本垂直，属温度变形裂缝。成因主要是闸墩混凝土收缩变形大，受下部堰体约束，最终导致闸墩产生垂直长度方向的裂缝。具体成因分析为：1#～3#闸墩是在堰体混凝土浇筑完毕10～29d后开始浇筑，堰体混凝土当时已基本达到设计强度，加上堰体断面远大于闸墩，闸墩则成为以堰体为基础的长墙结构，堰体对闸墩下部混凝土约束作用较大，易引起开裂；1#～3#闸墩下部混凝土浇筑分层厚度偏大，浇筑层间歇时间偏长，闸墩上升速度偏低，上升高度不足闸墩长度一半即长时间停止浇筑；闸墩混凝土为高标号混凝土，水泥用量大，水化热温升较高，106m高程以上混凝土浇筑气温偏高；以上这些因素综合导致了裂缝的产生。

4#闸孔堰面裂缝亦为基础约束条件下的温度变形裂缝，裂缝未深入堰体混凝土，裂缝产生原因分析如下：

（1）堰面C25混凝土浇筑时，堰体C15混凝土已基本达到设计强度，堰体对堰面混凝土的约束作用大，在温度应力影响下产生裂缝。

（2）堰面下部堰体呈台阶形，堰面混凝土厚度呈不均匀变化，堰面浇筑采用滑模形式，若滑模重量及混凝土流动性不足，则混凝土硬化前局部易沉实不足，造成沿面垂直水流方向面层钢筋位置发生裂缝。

（3）堰体台阶尖角处易产生应力集中，而该部位混凝土厚度相对更小，加上混凝土掺入了粉煤灰及减水剂，早期抗拉强度降低，在集中应力作用下而产生裂缝。

5 裂缝影响分析

2#闸墩门槽闸墩裂缝为表层干缩裂缝，对结构安全无影响；闸墩中部裂缝为温度变形裂缝，裂缝是因基础约束的存在限制了混凝土变形而产生的，但同样由于约束作用而会限制裂缝的扩展，因此裂缝宽度发展有限，温度变形裂缝有自愈的特点，即裂缝宽度将逐渐变小。目前裂缝宽度仅为0.1～0.2mm，此宽度量级基本上不影响闸墩结构安全，但裂缝的存在易导致闸墩钢筋锈蚀。

4#闸孔堰面裂缝为表层温度缝，裂缝的深度有限（仅局限在堰面混凝土中），裂缝的存在对结构安全影响较小，但溢流坝泄流时，在裂缝处易产生气蚀现象，降低了堰面抗冲耐磨性能，另外裂缝的存在也易引起钢筋的锈蚀。

6 裂缝处理方案

为控制闸墩裂缝的发展，加强闸墩的完整性，闸墩裂缝采取设置并缝钢筋和裂缝封闭相结合的措施：

（1）闸墩并缝钢筋布置。

闸墩继续上升时，在已发现裂缝的闸墩现状顶面布置垂直于裂缝方向并缝钢筋，并缝钢筋为Φ25@100mm，单根长4m，分布钢筋采用Φ18@200mm或Φ20@200mm。在架设并缝钢筋前，闸墩顶面应严格按施工缝处理要求进行凿毛、冲洗、铺浆等。

（2）闸墩裂缝封闭处理。

裂缝封闭处理措施为：① 沿闸墩裂缝凿深2cm，宽5cm凹槽，并对裂缝两侧混凝土表面进行打磨清理（清理宽度10～15cm）；② 对裂缝表面均匀涂刷一道HK-G低粘度环氧；③用环氧腻子填补缝面并找平；④ 涂刷HK-961环氧增厚涂料（0.8mm厚）封闭裂缝。

堰面裂缝处理采用表面封闭和裂缝灌浆相结合的措施：① 对裂缝表面进行打磨清理（清理宽度10～15cm）；② 沿裂缝表面粘贴灌浆嘴（间距一般为15～20cm）；③ 涂刷HK-961环氧增厚涂料封闭灌浆嘴以外的裂缝；④ 对裂缝进行环氧灌浆；⑤ 表面修复：涂刷HK-961环氧增厚涂料（0.8mm厚，10～15cm宽）。

裂缝封闭灌浆处理一般选择在裂缝开度较大时处理，这样可避免裂缝开度增大时导致浆体承受较大拉力而破坏，保证封闭灌浆效果，因此裂缝封闭灌浆选择冬季低温季节进行。

7 裂缝预防措施建议

根据上述裂缝成因分析，对类似本工程混凝土坝裂缝预防措施建议如下：

（1）合理分缝分块，严格控制间歇期。混凝土浇筑时应合理分层、分块，在基础和老混凝土约束部位，浇筑层高不应大于1.5m；严格控制大体积混凝土和墩墙等结构混凝土浇筑的层间间歇期，间歇期不少于3d，也不宜大于10d。

（2）优化大坝混凝土配合比。在满足混凝土标号及抗渗、抗冻等主要设计指标前提下，尽量减少水泥用量以降低水化热；大体积混凝土尽量采用低热水泥。

（3）合理解决堰面C25混凝土和易性和早期抗拉强度的矛盾，在增加堰面混凝土和易性的同时，尽可能减少混凝土早期抗拉强度降低幅度。

（4）堰面混凝土采用滑模施工时注意控制滑模支撑时间，必要时在混凝土浇灌1～2h后，对混凝土进行二次振捣，表面拍打振实，以减小混凝土早期沉缩量。

（5）高温季节应延长浇筑混凝土的养护时间。

8 结语

电站溢流坝闸墩及堰面经上述措施处理后，已有裂缝已封闭，后续混凝土浇筑也未见新的裂缝产生。目前电站已投入运行14年，多次定检显示闸墩和闸墩表面整体结构良好，未发现有结构裂缝、脱落、剥蚀等异常现象，溢流堰面也未发现新增结构裂缝，堰面结构完整，没有发现空蚀、冲磨破坏现象。